Двухфазная система переменного тока является одним из видов многофазных систем. Она была широко применена в начале XX века, но позже была вытеснена трехфазной системой, которая имеет меньшие потери и более простую конструкцию.
Двухфазная система была предшественницей сегодняшней трехфазной системы. Ее фазы были сдвинуты на 90° относительно друг друга, поэтому первая имела синусоидальную кривую напряжения, вторая - косинусоидальную.
Чаще всего ток распределялся по четырем проводам, реже по трем, причем один из них имел больший диаметр (его нужно было рассчитать на 141% тока отдельных фаз).
Первый из этих генераторов имел два ротора, повернутых относительно друг друга на 90°, поэтому они больше походили на два соединенных однофазных генератора, настроенных для создания двухфазного переменного напряжения. Генераторы, установленные в 1895 году на Ниагарском водопаде, были двухфазными и были крупнейшими в свое время.
Упрощенная схема двухфазного генератора
Двухфазная система имела то преимущество, что позволяла работать асинхронным электродвигателям.
Вращающееся магнитное поле, которое создает двухфазный ток, обеспечивает ротор крутящим моментом, который способен вращать его из состояния покоя. Однофазная система не может этого сделать без использования пусковых конденсаторов. Конфигурация катушки двухфазного двигателя такая же, как и у однофазного двигателя с конденсаторным пуском.
Также было проще анализировать поведение системы с двумя полностью отдельными фазами. Фактически, так было до 1918 года, когда был изобретен метод симметричных составляющих, который позволил проектировать системы с несбалансированными нагрузками (в основном любая система, в которой по какой-либо причине невозможно сбалансировать нагрузки отдельных фаз, как правило, жилые).
Обмотка двухфазного электродвигателя около 1893 г.
Это был один из первых электродвигателей, изготовленных компанией Westinghouse Electric Corporation, основанной Джорджем Вестингаузом. Вестингауз был одним из пионеров в области электричества и конкурентом Томаса Эдисона. Вестингауз сторонником переменного тока, в то время как Эдисон защищал постоянный ток. В результате разгорелась так называемая «война токов», которая закончилась победой переменного тока, благодаря его преимуществам в передаче энергии на большие расстояния.
Обмотка двухфазного электродвигателя состояла из двух параллельных обмоток, расположенных на статоре и сдвинутых на 90° друг относительно друга. Каждая обмотка подключалась к своей фазе двухфазной системы переменного тока. Двухфазные электродвигатели применялись для различных целей, таких как подъемники, насосы, вентиляторы и другие.
Большинство шаговых двигателей также можно рассматривать как двухфазные двигатели, так как чаще всего они имеют два набора полюсов, образующих две фазы, которые вместе создают вращающееся магнитное поле. Это позволяет ротору поворачиваться на определенный угол при поступлении управляющего сигнала. Однако существуют также и многофазные шаговые двигатели, которые имеют больше двух фаз и обеспечивают более плавное и точное вращение.
Трехфазное распределение, по сравнению с двухфазным распределением, требует меньшего количества проводов при одинаковом напряжении и той же передаваемой мощности. Для этого требуется всего три провода, что значительно снижает затраты на установку системы.
В качестве источника двухфазного тока использовался специальный генератор, который имел два набора катушек, повернутых друг относительно друга на 90°.
Обе системы, то есть двухфазные и трехфазные, могут быть подключены напрямую, используя два трансформатора в так называемом соединении Скотта, решение дешевле и эффективнее, чем использование вращающихся преобразователей.
Схема Скотта: фазы Y1, Y2, Y3 трехфазной системы; R1, R2 - одна фаза двухфазной системы, R3, R4 - вторая фаза двухфазной системы
В то время, когда переходил от двухфазной системы к трехфазной, необходимо было решить, как равномерно распределить нагрузку двухфазных машин на трехфазную систему, чтобы сбалансировать ее, т.к. отдельные фазы нельзя регулировать отдельно.
Кроме того, он может преобразовывать электроэнергию не только из трехфазной системы в двухфазную, но и наоборот, обеспечивая таким образом взаимосвязь между более крупными электрическими блоками и обмен энергией между ними.
Предполагая, что напряжение на трех- и двухфазной стороне должно быть одинаковым, на одном из них формируется отвод точно посередине, катушка делится 50:50 и ее концы подключаются к двум фазам, а другой имеет всего 86,6% намотки, соответственно там создается ответвление.
Этот второй трансформатор подключается к центру первого, а ответвление подключается к оставшейся фазе. Тогда на вторичных обмотках получается ток, смещенный на 90° относительно друг друга.
К сожалению, это соединение не способно сбалансировать несимметричную нагрузку отдельных фаз, дисбаланс двухфазной системы переносится на трехфазную и наоборот, в зависимости от того, какой источник подключен.
В настоящее время система почти везде в мире заменена более современной трехфазной системой, однако в некоторых частях Соединенных Штатов система все еще используется, например, в Филадельфии и Южном Джерси в США (где она находится в упадке). Причины, по которым эта система все еще работает, являются историческими.
Однофазная трехпроводная сеть для коммунального электроснабжения, которая особенно широко распространена в Северной Америке, иногда и неправильно называется двухфазной системой, хотя в базовой установке это однофазная система.
Однофазная трехпроводная сеть состоит из двух фазных проводов, между которыми подается напряжение 240 В, и одного нулевого провода, который соединен с центральной точкой трансформатора. При подключении потребителей к одному фазному и нулевому проводу получается напряжение 120 В, а при подключении к двум фазным проводам - 240 В. Такая сеть позволяет питать как бытовые, так и промышленные приборы разной мощности.
Однако однофазная трехпроводная сеть имеет и недостатки, такие как неравномерность распределения нагрузки, большие потери мощности, низкая стабильность напряжения и другие. Поэтому она постепенно заменяется на более эффективную и надежную трехфазную систему, которая имеет три фазных провода, между которыми подается напряжение 380 В, и один нулевой провод, который соединен с нейтральной точкой звезды.
Трехфазная система обеспечивает более равномерное распределение нагрузки, меньшие потери мощности, высокую стабильность напряжения и другие преимущества.